電動車用開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計與優(yōu)化方法

電動車用開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計與優(yōu)化方法摘要：隨著人們生活水平日益提高，人均汽車占有量大幅度提升，傳統(tǒng)汽車產(chǎn)生的尾氣對環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅，因此發(fā)展綠色交通工具成為當(dāng)今社會的一個熱點(diǎn)話題。電動汽車具有噪音低、無污染和能源利用率高等特點(diǎn)，是比較理想的交通工具。近年來電力電子技術(shù)不斷發(fā)展，微電子、電機(jī)學(xué)、現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和控制理論也開始完善，這都促使開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展。目前已成功應(yīng)用于電動車用驅(qū)動系統(tǒng)、家用電器、高速驅(qū)動、泵及風(fēng)機(jī)等眾多領(lǐng)域中，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)強(qiáng)有力的競爭者。關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)；設(shè)計；優(yōu)化目前國家正大力發(fā)展新能源技術(shù)，電動車因勢而起，得到了快速的發(fā)展，電動車作為一種新興的代步用車，不僅綠色環(huán)保而且在未來有極大的發(fā)展?jié)摿?。目前電動車?qū)動電機(jī)主要有永磁電機(jī)、異步電機(jī)、直流電機(jī)等。作為一種新型電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)SRM由于其結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、調(diào)速范圍寬、控制靈活且效率高等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的電動車驅(qū)動電機(jī)相比有較大的競爭力，而且能滿足電動車起動轉(zhuǎn)矩大、起動電流小的需求，所以在電動車驅(qū)動領(lǐng)域中有較大的發(fā)展?jié)摿?。一、開關(guān)磁阻電機(jī)基本原理開關(guān)磁阻電機(jī)依靠定、轉(zhuǎn)子之間磁阻變化運(yùn)行，當(dāng)給定子其中一相繞組通電時，若定子極軸線和轉(zhuǎn)子極軸線不重合，就會有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上，使轉(zhuǎn)子運(yùn)動，直到兩者軸線重合，磁阻力消失，在慣性作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一定角度，然后換相鄰繞組通電，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動［1］。如圖。圖中定子極上為定子線圈，標(biāo)有箭頭的繞組表示該相繞組通電，虛線表示磁力線，轉(zhuǎn)子起動前的轉(zhuǎn)角為0°。在初始位置，A相繞組通電，在磁力的作用下，距A相最近的轉(zhuǎn)子極受力開始逆時針轉(zhuǎn)動，使磁阻變小，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到5°，又旋轉(zhuǎn)了10°，直到15°為止，轉(zhuǎn)子不再轉(zhuǎn)動，此時磁路最短。為了使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，必須在轉(zhuǎn)子不受力時切斷A相電源，同時接通B相，于是B相產(chǎn)生磁通，磁力線沿磁路最小的磁極通過轉(zhuǎn)子，在磁力的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直到轉(zhuǎn)到30°之前，關(guān)斷B相繞組電源并開通C相繞組，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)到45'之前接通A相繞組電源，以此類推，電機(jī)就會運(yùn)行下去。三相繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動n/4（即一個極距角），定子磁場順時針轉(zhuǎn)動n/2。只要各相按照一定的順序?qū)ǎ姍C(jī)就能正常工作，與磁力線方向無關(guān)，即與電流方向無關(guān)，通電順序與旋轉(zhuǎn)方向相反。二、SRM的定轉(zhuǎn)子齒極結(jié)構(gòu)優(yōu)化1、定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。利用上節(jié)優(yōu)化電機(jī)尺寸參數(shù)后的SRM進(jìn)行定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在SRM線性模型中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：由式SRM的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中氣隙磁導(dǎo)發(fā)生變化而產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)矩的大小主要取決于相電感相對于轉(zhuǎn)子位置角的變化率，相電感相對轉(zhuǎn)子位置角的變化率越大則電機(jī)轉(zhuǎn)矩值將越大。此變化率可通過改變定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極之間的氣隙形狀來控制。本設(shè)計提出了一種具有非圓形的定子磁極極面，這種定子磁極表面將會使電機(jī)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程與定子磁極之間產(chǎn)生非均勻的氣隙，以此來改變相電感對轉(zhuǎn)子位置角的變化率。IF奸|倒，1>如圖所示，半徑R的長度等于定子內(nèi)徑的二分之一，即以轉(zhuǎn)子內(nèi)徑的圓心為圓心，二分之一定子內(nèi)徑為圓的半徑。通過改變原始圓心的橫坐標(biāo)的數(shù)值，得到新的圓心。以新圓心作為圓心，新圓心到定子磁極的距離作為半徑畫圓弧，利用此圓弧切割SRM定子磁極，得到新的定子磁極。在定轉(zhuǎn)子磁極剛進(jìn)入重疊區(qū)域時，原始SRM定轉(zhuǎn)子磁極間的氣隙突然減小，氣隙磁場能量發(fā)生突變，磁力線集中且徑向磁力線分量較大。而改進(jìn)定子磁極后的SRM在定轉(zhuǎn)子磁極剛進(jìn)入重疊區(qū)域時，由于具有非圓形的定子磁極極面，氣隙的變化相對緩和，磁力線較原始SRM稀疏且徑向磁力線分量較小。保持新的圓心縱坐標(biāo)恒定不變，增加圓心橫坐標(biāo)，增加量由0.8mm到4.8mm。得到SRM在瞬態(tài)場下，圓心橫坐標(biāo)取不同值時，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動分別與不同值的圓心橫坐標(biāo)之間關(guān)系。當(dāng)圓心橫坐標(biāo)增量的取值從0.8mm增加到4.8mm時，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動均呈增大趨勢。曲線各點(diǎn)的斜率基本不變，說明平均轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動值均呈線性增大。這是由于SRM的定轉(zhuǎn)子磁極在剛開始重疊時，氣隙的大小發(fā)生突變而致使氣隙的磁場能量產(chǎn)生突變，進(jìn)而導(dǎo)致SRM的矩角特性在對應(yīng)的位置產(chǎn)生突然變化和轉(zhuǎn)矩數(shù)值的減小。通過對定子磁極極面的改進(jìn)，使得定轉(zhuǎn)子磁極開始重疊時的氣隙突變變得較為緩和，達(dá)到了提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。但是隨平均轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩的增加，相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動也增大。為得到較大的平均轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩和相對較低的轉(zhuǎn)矩脈動，最終選取的圓心橫坐標(biāo)增量為0.8mm。對比優(yōu)化前后電機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線圖，如圖所示。2、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計本設(shè)計提出了一種在轉(zhuǎn)子磁極兩側(cè)開矩形槽的方法。通過轉(zhuǎn)子磁極的矩形槽來改變電機(jī)的磁鏈波形和繞組電感相對轉(zhuǎn)子位置角的變化率，進(jìn)而改變SRM的轉(zhuǎn)矩大?。?］。開槽M為轉(zhuǎn)子齒頂高度，L為矩形槽深度。在定轉(zhuǎn)子磁極對齊位置，原始SRM和具有矩形槽轉(zhuǎn)子磁極的SRM的磁力線分布變化不明顯，僅在開槽位置有些許變化。但在定轉(zhuǎn)子磁極剛進(jìn)入重疊區(qū)域時，原始SRM定轉(zhuǎn)子磁極間的氣隙突然減小，氣隙磁場能量發(fā)生突變，磁力線集中且徑向磁力線分量較大。而具有矩形槽轉(zhuǎn)子磁極的SRM在定轉(zhuǎn)子磁極剛進(jìn)入重疊區(qū)域時，由于SRM的磁通總是經(jīng)磁阻最小的路徑閉合，而空氣的磁阻遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子磁極的磁阻，所以切向磁力線分量增大，徑向磁力線分量減小，從而可以增大電機(jī)的轉(zhuǎn)矩［2］。轉(zhuǎn)子齒頂高度的影響。保持矩形槽深度2.5mm和寬度5mm不變，轉(zhuǎn)子齒頂高度取值從1mm增加到14mm。得到SRM在瞬態(tài)場下，轉(zhuǎn)子齒頂高度取不同值時，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動分別與不同值的轉(zhuǎn)子齒頂高度之間關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)子齒頂高度取值從1mm增加到14mm時，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動均呈減小趨勢。但當(dāng)轉(zhuǎn)子齒頂高度超過8mm時，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動的變化均趨于穩(wěn)定?？芍匦尾鄣拈_槽位置如果遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子齒頂，則開槽對氣隙磁密的影響減小，平均轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動數(shù)值均接近原始的開關(guān)磁阻電機(jī)。在電機(jī)運(yùn)行中轉(zhuǎn)子磁極受到較大的電磁力，如果齒頂高度太小則會降低轉(zhuǎn)子磁極的機(jī)械強(qiáng)度。由齒頂高度大于等于8mm時，SRM的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線基本相同。為得到較大的平均轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩和相對較低的轉(zhuǎn)矩脈動，并綜合考慮到電機(jī)加工與裝配技術(shù)的局限，最終選取的轉(zhuǎn)子齒頂高度為3mm。矩形槽深度的影響。保持矩形槽寬度5mm和轉(zhuǎn)子齒頂高度3mm不變，矩形槽深度取值從1mm增加到4.5mm。得到SRM在瞬態(tài)場下，矩形槽深度取不同值時，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動分別與不同值的矩形槽深度之間關(guān)系。當(dāng)矩形槽深度取值從1mm增加到4.5mm時，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動均呈增大趨勢。曲線各點(diǎn)的斜率基本不變，說明平均轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動值均呈線性增大。為得到較大的平均轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩和相對較低的轉(zhuǎn)矩脈動，并綜合考慮到電機(jī)加工與裝配技術(shù)的局限和足夠的轉(zhuǎn)子磁極機(jī)械強(qiáng)度，最終選取的矩形槽深度為2.5mm?；谝环N具有非圓形定子磁極極面的新型定子結(jié)構(gòu)和一種在轉(zhuǎn)子磁極兩側(cè)開矩形槽的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。通過對這兩種結(jié)構(gòu)分別采用有限元仿真分析，得出其對開關(guān)磁阻電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動的影響規(guī)律，為之后電機(jī)轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn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